DE2907819A1

DE2907819A1 - Directly coupled shaft torque measurement device - has spring loaded bearing torque transfer elements and force measurement sensor

Info

Publication number: DE2907819A1
Application number: DE19792907819
Authority: DE
Inventors: Heinrich Gruenbaum
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-10-09
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1980-05-08

Abstract

A device for measurement of torques applied to or delivered by a rotating shaft in test and industrial equipment enables monitoring, maintenance, or program controlled regulation of the load on a machine. It requires no slip-rings or inductive coils and may be attached directly to the shaft where necessary. A transmission element(3), fixed axially to the shaft(1) but able to rotate about it, and a translation element(4), fixed rotationally to the shaft but able to move axially w.r.t. it, are separated by ball bearings(5) transferring the torque and loaded by return springs. The translation element is displaced by a distance proportional to the torque, which is transferred via a ball bearing(6) to a non-rotating force measurement element(9). The transmission element(3) can transfer torque to a coaxial(2) or parallel shaft.

Description

Messvorrichtung für Drehmomente Measuring device for torques

Die erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des von einer drehbaren Welle abgegebenen oder aufgenomrenen Drehmomentes.The invention relates to a device for measuring the from a rotatable Shaft delivered or absorbed torque.

Derartige Messvorrichtungen werden sowohl für Brüdfstände, als auch in Industrieanlagen benötigt, um die Belastung der iaschinen zu überwachen, aufrechtzuerhalten oder durch regeltechnische Beeinflussung des Drehmomentes nach einem vorbestimmten Programm ablaufen zu lassen.Such measuring devices are used both for Brüdfstands and needed in industrial plants to monitor the load on the machines or by controlling the torque according to a predetermined one To run the program.

Die bekannten Ausführungen arbeiten nach dem Drinzip des rotierenden Mess-Signals. Letzteres entsteht an einen umlaufenden wellenförmigen Körpers dessen Torsionsverdrchung, als dem Drehmomente proportional, elektrisch gemessen wird. Die Zuftihrung der Speise spannung und auch die Herausführung des rotierenden Mess-Signals erfolgt entweder über Schleifringe oder kontaktlos ber transformatorisch wirkende Induktionswicklungen, sowohl auf dem umlaufenden Körper, als auch im nicht rotierenden Gehäuse. Beide Lösungen sind nachteilig: die Schleifringe nutzen sich ab und die induktiv-transformatorische Übertragung ist aufwendig und platzraubend.The known designs work on the rotating principle Measurement signal. The latter arises from a circumferential wave-shaped body of Torsionsverdrchung, as proportional to the torque, is measured electrically. The supply of the supply voltage and also the routing of the rotating measurement signal takes place either via slip rings or contactless via transformers Induction windings, both on the rotating body and in the non-rotating body Casing. Both solutions are disadvantageous: the slip rings wear out and the Inductive-transformer transmission is complex and space-consuming.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß solche in einem Gehause gelagerten Rotationskörper zu ihrer Verbindung mit der Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, eine Kardankupplung benötigen> wodurch überaus große Längenmaße entstehen.Another disadvantage is that they are stored in a housing Rotary bodies for their connection to the shaft, the torque of which is measured should require a cardan coupling> which results in extremely large lengths.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zu schaffen, die ohne Schleifringe und induktiv-transformatorische Wicklungen auskommt. Auch soll sie, wenn nötig, auf die zu messende Welle direkt aufsetzbar sein.The invention is based on the object of a measuring device to create that works without slip rings and inductive transformer windings. If necessary, it should also be able to be placed directly on the shaft to be measured.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen zwei rotierenden Bauteilen, de in Bezug auf die besagte Welle drehfreien, Jedoch axial festen Transmissionsglied und den drehfesten, Jedoch axial freien Translationsglied das Drehmoment bertragende und durch Rückstellmittel belastete Spreizelemente angeordnet sind, die das Translationsglied um einen dem. jeweiligen Werte des Drehmomentes verhältnisgleichen Stellweg verschieben, welcher über ein 1 Wälzlager auf ein nicht rotierendes Kraftinessglied 'ibertragen wird.This object is achieved in that between two rotating components, de non-rotating with respect to said shaft, but axially fixed transmission member and the non-rotatable, but axially free translation member arranged spreading elements which transmit the torque and are loaded by restoring means are that the translation member to a dem. respective values of the torque move relative travel, which has a 1 roller bearing on a not rotating Kraftiness member 'is transmitted.

Um eine solche Messvorrichtung gleichzeitig als Kupplung verwenden zu können, wird nach einerifeiteren Ausbildung der wrrindung das Transmissionsglied mit Bauteilen zur Drehmoment-Übertragung auf eine koaxiale Welle ausgestattet.To use such a measuring device as a coupling at the same time to be able to, the transmission link becomes after a further formation of the wrrrung equipped with components for torque transmission on a coaxial shaft.

Zur Übertragung auf parallele Wellen werden diese Bauteile als Riemenscheiben, Zahnräder oder Kettenräder ausgebildet.For transmission to parallel shafts, these components are used as belt pulleys, Gears or sprockets formed.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden naher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 den Längsschnitt durch eine als elastische Kupplung arbeitende Messvorrichtung, Fig. 2 die Kraftverhältnisse am Spreizelement, Fig. 3 den teilweisen Längsschnitt durch eine als Keilriemenscheibe einsetzbare Messvorrichtung.Two embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. 1 shows the longitudinal section through a measuring device working as an elastic coupling, FIG. 2 the force relationships on the expansion element, FIG. 3 shows the partial longitudinal section through a V-belt pulley usable measuring device.

Die Welle 1 bildet einen integrierenden Bestandteil der Messvorrichtung. In der Ausführung nach Fig. 1 ist es eine nicht im Schnitt gezeichnete Vollwelle, beispielsweise die eines Vorgeleges, in der Ausführung nach Fig. 3 dagegen ist es eine teilweise geschnittene Hohlwelle. Sie dient zum Aufsetzen und Befestigen auf Wellenstümpfen von Motoren, Getrieben oder Maschinen aller Art.The shaft 1 forms an integral part of the measuring device. In the embodiment according to Fig. 1, it is a solid shaft not shown in section, for example that of an intermediate gear, in the embodiment according to FIG. 3, however, it is a partially cut hollow shaft. It is used to put on and fasten on Stub shafts of motors, gears or machines of all kinds.

Die in Fig. 1 gezeigte Welle 2 ist, im Gegensatz zur Welle 1, kein integrierender Bestandteil der Messvorrichtung. Sie trägt lediglich die zweite Hälfte der elastischen Kupplung zur Verbindung koaxialer ellen.The shaft 2 shown in Fig. 1, in contrast to the shaft 1, is not integral part of the measuring device. She only carries the second half the flexible coupling for connecting coaxial shafts.

Das Transmissionsglied 3 bildet mit der Welle 1 eine Art käfiglosen Kugellagers und deswegen könnte es, auf sich selbst gestellte überhaupt kein Drehmoment übertragen. Seine Führung auf einer Vielzahl von Kugeln in tiefen Rillen verleiht ihm aber eine wichtige Eigenschaft: es kann hohe Axialkräfte aufnehmen, den aber nahezu frei von Reibungsverlusten Relativdrehunfflen ausführen, die für den Spreizvorgang notwendig, winkelm8ßiz iedoch nur geringfugig sind.The transmission member 3 forms with the shaft 1 a kind of cageless Ball bearing and therefore it could not have any torque at all on its own transfer. Its leadership gives on a multitude of balls in deep grooves but an important property for it: it can absorb high axial forces, but that Almost free of frictional losses, the relative rotations required for the spreading process necessary, but the angular dimensions are only slight.

Dem Translationsglied 4 verleihen seine Sugelf-lhrungen die F.igenscnaft, sich in axialer Richtung verlustfrei zu verstellen, daei aber das Drehmoment der Welle 1 in beiden Drehrichtungen zu ibertragen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zu dieser Zwecke sowohl am Umfang der Welle 1, als auch in der Bohrung dieses Gliedes mehrere axial verlaufende Führungsnuten eingeformt, in denen sich die Kugeln abrollen. In der Variante nach Fig. 3 trägt das Translationsglied 4 auf dem gleichen Teilkreis eine Anzahl eingepresster Bolzen 17, die in entsprechende Bohrungen der Hohlwelle 1 hineinragen. Zwischen Jedem Bolzen und der Bohrungswandung sind zahlreiche Kugeln 18 eingelegt, die nutenlos in axialer Richtung abrollen können.The translational link 4 is given by its glutes the characteristics of to adjust without loss in the axial direction, but daei the torque of the Shaft 1 to be transmitted in both directions of rotation. In the embodiment according to Fig. 1 are for this purpose both on the circumference of the shaft 1, as well as in the bore of this Member formed several axially extending guide grooves in which the balls are roll off. In the variant according to FIG. 3, the translation member 4 carries on the same Part circle a number of pressed-in bolts 17, which are in corresponding holes of the Hollow shaft 1 protrude. There are numerous between each bolt and the wall of the bore Balls 18 inserted, which can roll without grooves in the axial direction.

Bei allen besprochenen Führungen sind statt der Kugeln auch anders geformte Wälzkörper denkbar. Dasselbe gilt auch fär die zwischen dem Transmissionsglied 3 und dem Translationsglied 4 angeordneten Spreizelemente.In all of the tours discussed, the balls are different shaped rolling elements conceivable. The same also applies to that between the transmission member 3 and the translation member 4 arranged spreading elements.

Gemäß der Zeichnungen setzen sich diese Spreizelemente aus mehreren auf dem gleichen Teilkreis liegenden Kugeln 5 zusammen welche sich an den zur Jeweiligen Axialebene A-A gleichermaßen geneigten Stützflächen der beiden Glieder 3 und 4 abrollen können.According to the drawings, these spreading elements consist of several balls 5 lying on the same pitch circle together which are attached to the respective Axial plane A-A roll equally inclined support surfaces of the two links 3 and 4 can.

Um die Drehmoment-Übertragun in beiden Drehrichtungen zu ermöglichen, sind jeder Kugel 5 zwei symmetrisch zur besagten Axialebene A-A verlaufende Stützflächen an jedem der beiden Glieder 3 und 4 zugeordnet.To enable torque transmission in both directions of rotation, each ball 5 are two symmetrical to said axial plane A-A extending support surfaces assigned to each of the two links 3 and 4.

Die Herstellung solcher Stützflächen kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind in die einander zugewandten Seiten der Glieder 3 und 4 kegelige Aussparungen eingebohrt, welche die Kugeln 5 aufnehmen. er schrumpfen die Stützflächen zu geraden Linien, nämlich den Kegelerzeugenden zusammen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besitzen die beiden Glieder 3 und 8 angedrehte Ringe, in welche die zur Axialebene symmetrisch geneigte Flächen eingefrnst oder eingeschliffen sind.The production of such support surfaces can be in various ways and Way. In the embodiment according to FIG. 1 are in the mutually facing Sides of links 3 and 4 tapered recesses are drilled into which the balls 5 take up. he shrink the support surfaces to straight lines, namely the cone-generating together. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the two members have 3 and 8 Turned rings into which the surfaces inclined symmetrically to the axial plane are cut or are ground in.

Das Schema in Fzg. 2 veranschaulicht die Kräfteverhältnisse bei der Drehrnoment-Lbertragung mittels der beschriebenen Spreizelemente. Die in Unfangsrichtung wirkende Tangentialkraft Ft ist ein Drehomentfator aus der Beziehung M = Ft.r, wo M das Drehmoment und r der Angriffsradius der Kugeln 5 ist. Durch den Neigungswinkel Ol/der Stützflächen zur Axialebene A-A entsteht die axial gerichtete Kraft Fa = Ft tgote. Da Ft dem Drehmoment proportional ist, muß ihm auch Fa verhältnisgleich sein. Die Axialkraft Fa ist somit ein Maß für das Drehmoment.The scheme in vehicle 2 illustrates the balance of power in the Torque transmission by means of the spreading elements described. The one in the circumferential direction Acting tangential force Ft is a torque converter from the relationship M = Ft.r, where M is the torque and r is the radius of attack of the balls 5. By the angle of inclination Ol / of the support surfaces to the axial plane A-A creates the axially directed force Fa = Ft tgote. Since Ft is proportional to the torque, Fa must also be proportional to it be. The axial force Fa is therefore a measure of the torque.

-Vorbedingung für das Zustandekommen der beschriebenen Krfte ist das Vorhandenein von Mitteln, welche sowohl die nach links gerichtete Kraft Fa als auch ihre gleichgroße nach rechts gerichtete Reaktionskraft aufnehmen. Letztere wird eindeutig durch die Kugellagerung des Transmissionsgliedes 3 aufgefangen. Nach links besteht ein Verbindungsweg über das auf dem Translationsglied 4 sitzende Wälzlager 6, den Mantel 7 auf dessen Aussenring und die Druckpunkte bzw. Bolzen 8 zum nicht rotierenden Kraftmessglied 9.- This is a prerequisite for the creation of the forces described Existence of means that both the leftward force Fa and absorb their equal reaction force directed to the right. The latter will clearly captured by the ball bearing of the transmission link 3. To the left there is a connection path via the roller bearing seated on the translation element 4 6, the jacket 7 on its outer ring and the pressure points or bolts 8 for not rotating force measuring element 9.

Zum Auffangen dient das Wälzlager 11, welches durch einen Sicherungsring oder eine Stellschraube 12 gehalten wird. Die Rotation der Vorrichtung hört bereits beim Mantel 7 des Wälzlagers 6 auf. Um ein Mit laufen dieses Mantels und des Kraftmessgliedes sicher zu verhindern, ist am Letzteren eine Öse oder ein Haltebolzen 13 vorgesehen.The roller bearing 11, which is secured by a retaining ring, serves to catch it or a set screw 12 is held. The rotation of the device already stops at the jacket 7 of the roller bearing 6. To run with this jacket and the force measuring element To prevent safe, an eyelet or a retaining bolt 13 is provided on the latter.

Das Funktionsprinzip des Kraftmessgliedes 9 berfihrt den Erfindungsgegenstand nur am Rande. So könnte die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gezeigte Scheibe 10 mit Dehnungsmess-Streifen beklebt sein, wobei der Bolzen 8 die zum Ansprechen der Messbrlicke erforderliche elastische Deformation dieser Scheibe bewirkt. Genau so bekannt sind auch magnetoelastische, induktive oder kanazitive Systeme. Selbst ein hydraulischer, mit öl gefüllter und mit einer Membrane versehener Kraftaufnehmer wäre hier denkbar.The functional principle of the force measuring element 9 transfers the subject matter of the invention only on the edge. So the disk 10 shown in the embodiment of FIG Strain gauge strips can be stuck on, the bolt 8 being the one to address the measuring bridge causes the required elastic deformation of this disc. Are just as well known also magnetoelastic, inductive or canacitive systems. Even a hydraulic, Force transducers filled with oil and provided with a membrane would be conceivable here.

Wichtig ist nur festzuhalten, daß jeder KraftauSnehmer, unabhängig von seinem Arbeitsprinzip, einen nachgiebigen, elastischen Bauteil aufweist, zu dessen Deformation ein gewisser Stellweg erforderlich ist. Fast immer besteht auch zwischen diesem Stellweg und dem abgegebenen Mess-Signal eine strenge Proportionalit~.t, wodurch das lineare Verhalten der Messeinrichtung von vornherein gegeben ist. Bei Verwendung derartig wirkender Kraftmessglieder 9 muß also der durch die Spreizelemente des Erfindungsgegenstandes erzeugte Stellweg des Translationsgliedes 4 dem jeweiligen Wert des Drehmomentes verhältnisgleich sein.It is only important to note that every force-puller is independent of its working principle, having a resilient, elastic component whose deformation a certain travel is required. Almost always there is also There is a strict proportionality between this travel and the output measurement signal, whereby the linear behavior of the measuring device is given from the start. at The use of force measuring elements 9 acting in this way must therefore be carried out by the spreading elements of the subject matter of the invention generated travel of the translation member 4 to the respective The value of the torque must be proportionate.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird als Rückstellmittel f?ir die Belastung der Spreizelemente lediglich der er^r.-hnte elastische Bauteil des nicht rotierenden Kraftmessgliedes 9 herangezogen. Bei großen Drehmomenten könnte allerdings die hohe Axialbelastung zum frühzeitigen Verschleiß der Wälzlager 6 und 11 und zu erhöhten Verlusten in denselben führen.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the restoring means for Loading of the spreading elements only on the elastic component mentioned above rotating force measuring element 9 used. At high torques, however, could the high axial load leading to premature wear of the rolling bearings 6 and 11 and to lead to increased losses in the same.

In solcnen Fällen wäre die Ausführung nach Fig. 3 vorzuziehen.In such cases, the embodiment according to FIG. 3 would be preferable.

Hier sind an den Bolzen 17 des Translationsgliedes 4 zylindrische Schraubenfedern 19 angebracht, welche dieses Glied unmittelbar umso mehr an die Spreizelemente drücken, Je größer der Stellweg wird. Es handelt sich also bei dieser Federanordnung um ein zusi.tzliches rotierendes Rückstellmittel, dessen Kraft sich zu der des elastischen Bauteiles hinzuaddiert. Die Linearität des Mess-Signales wird dabei nicht beeintrchtigt, weil beide Summanden in direkter Proportionalität zum Verstellweg stehen. Sofern ein ausgesprochenes Wegmessglied 9 Verwendung findet, das ganz ohne Kraftaufwand funktioniert, tritt der Grenzfall ein, bei dem die wälzlager 6 und 11 total entlastet werden und nur die mitrotierende Federanordnung als Rückstellmittel arbeitet.Here 4 are cylindrical on the bolts 17 of the translation member Helical springs 19 attached, which this link directly to the more Press expansion elements, the greater the travel range. So it is this one Spring arrangement around an additional rotating restoring means, the force of which increases added to that of the elastic component. The linearity of the measurement signal is not affected because both summands are in direct proportionality to the adjustment path. If a specific displacement measuring element 9 is used, all without Exertion of force works, the borderline case occurs, in which the roller bearings 6 and 11 are totally relieved and only the rotating one Spring arrangement works as a return means.

Die Ankoppelung der beiden koaxialen Wellen 1 und 2 im Ausf.lhrungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt über einen Kunststoffring 14. Das Transmissionsglied 3 ist hier mit einer Anzahl Bolzen 15 ausgestattet, welche in die Löcher des Kunststoffringes 14 eingreifen, genau so, wie es bei den Bolzen 16 der Fall ist, die vom Flansch 27 auf der Welle 2 getragen werden.The coupling of the two coaxial shafts 1 and 2 in the exemplary embodiment 1 takes place via a plastic ring 14. The transmission element 3 is here equipped with a number of bolts 15, which in the holes of the plastic ring 14 engage, just as it is the case with the bolts 16 that of the flange 27 can be worn on shaft 2.

Hätte man statt dessen für die Ankoppelung das Bogenzahn-System gewalt, so müßten Transmissionsglied 4 und Flansch 27 entsprechende Verzahnungen erhalten.If instead one had to use the curved tooth system for the coupling, transmission member 4 and flange 27 would have to have corresponding toothings.

Die auf das Transmissionsglied 3 im Ausf'thrungsbeispiel nach Fig. 3 aufgesetzte Keilriemenscheibe 20 hat die zusätzliche 'Aufgabe, den Spreizraum abzudichten und die Fliehkraft der Kugeln 5 aufzufangen.The transmission element 3 in the exemplary embodiment according to FIG. 3 attached V-belt pulley 20 has the additional 'task, the expansion space to seal and to absorb the centrifugal force of the balls 5.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

A n p r ü c h e ¾ Device for eating from a rotatable Shaft delivered or absorbed torque, characterized in that between two rotating components, the. n with respect to this shaft (1) non-rotating, however axially fixed transmission member (3) and the non-rotatable, but axially free translation member (4) Spreading elements which transmit the torque and are loaded by the restoring means are arranged that the translation member (4) by one of the respective values of the Shift the adjustment range in the same ratio as the torque, which is via e.n rolling bearings (6) is transmitted to a non-rstierendes force measuring element (9).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the transmission member (3) equipped with components (15) for torque transmission to a coaxial shaft (2) is.

3. Device according to Claim 1, characterized in that the transmission member (3) With components (20) such as belt pulleys, toothed wheels or chain wheels for torque transmission is fitted on a parallel shaft.

4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that for mitering loss-free rotary adjusters of the transmission link (3) and axial Displacements of the translation member (4) rolling element guides are provided.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in 5 that the spreading elements are a plurality of rolling bodies arranged on the same pitch circle (5), which are equally inclined to the respective axial plane (A-A) Roll off the support surfaces of the transmission element (3) and the translation element (4).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that each Rolling bodies (5) two support surfaces lying symmetrically to its axial plane (A-A) are assigned to each of the two links (3 and! 4).

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that as a restoring means for the load on the sprinkling elements, the elastic component of the non-rotating force measuring element (9) is used.

3. Apparatus according to claim 7, characterized in that a as an additional Resetting means a spring arrangement rotating with the translation member (4) (19) is provided, which dr, ickt this member against the expansion elements.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that that the shaft (1) forming an integral part of the device as Hollow shaft is designed.